锰氧化物—聚苯胺复合材料的制备及其在含硫废水处理中的应用研究

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含硫废水中的硫离子(S2-)和亚硫酸盐S(IV)等有毒废物严重危害环境安全和人类健康。其中S2-的处理主要通过空气为氧化剂催化氧化,而S(IV)有望作为过硫酸盐替代物产生自由基降解有机污染物。针对含硫废水的相关特性,本研究以高锰酸钾为前驱体,聚苯胺为载体,制备得到锰氧化物负载聚苯胺(MnxOy-PANI)催化剂,用于治理含硫废水,通过催化空气选择性氧化S2-得到单质硫(S0),此外,构建基于S(IV)高级氧化降解有机污染物体系,并深入探讨催化氧化机理。首先,XRD、FTIR、XPS和SEM表征结果表明MnxOy成功负载于PANI载体。以空气为氧化剂,探究了MnxOy-PANI催化剂对含硫废水中硫化物(Na2S为模拟污染物)的选择氧化性能。结果表明,MnxOy-PANI催化剂表现出优异的Na2S选择氧化性。25℃下,催化剂最佳投加量为0.2 g/L,Na2S初始浓度为100 mg/L时,240min内S2-可被完全氧化为单质硫(S0)。反应后催化剂的XPS、XRD、Raman表征结果证明S0在催化剂上稳定存在。不同初始p H下MnxOy-PANI催化剂具有较好的适用性。气氛实验表明氧气在催化氧化过程中起到重要作用。MnxOy-PANI在循环5次后仍具有较好的稳定性。最后,提出体系的选择性氧化可归因于催化剂上吡啶氮的存在,为含硫废水中硫化物的治理和资源化利用提供参考。随后,构建MnxOy-PANI/Na2SO3体系用于降解水体中有机污染物,选取典型污染物盐酸四环素(TC)为研究对象,探究催化剂活化Na2SO3性能的影响因素,并深入解析体系可能的反应机理。实验结果表明5 mg/LTC在60 min内可被全部降解。电化学阻抗谱(EIS)证明催化剂材料具有优异的导电性,将有助于活化亚硫酸盐降解污染物过程中电荷的转移及自由基形成。自由基淬灭实验及EPR结果证明体系中起主导作用的是SO4·-自由基,·OH次之。不同气氛实验表明氧气在反应过程中起到至关重要的作用。此外,研究了溶液p H、水中常见阴阳离子对TC降解的影响以及MnxOy-PANI材料的稳定性。通过XPS分析推测催化剂表面Mn(III/IV)-SO3络合物生成是亚硫酸盐活化的重要机制。
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